مخمد الكتلة المضبوط

المخمد الكتلي المضبوط ( TMD )، المعروف أيضاً باسم ممتص التوافقيات أو المخمد الزلزالي ، هو جهاز يُركّب في الهياكل لتقليل الاهتزازات الميكانيكية ، ويتكون من كتلة مثبتة على نابض واحد أو أكثر من النوابض المخمدة . يتم ضبط تردد تذبذبه ليكون مشابهاً لتردد الرنين للجسم الذي يُركّب عليه، ويقلل من السعة القصوى لاهتزاز الجسم مع كونه أخف وزناً منه بكثير.

يمكن لأجهزة تقويم الفكين أن تمنع الشعور بعدم الراحة أو التلف أو حتى الانهيار الهيكلي التام . وهي تُستخدم بكثرة في نقل الطاقة والسيارات والمباني.

تعمل مخمدات الكتلة المضبوطة على تثبيت الحركة العنيفة الناتجة عن الاهتزاز التوافقي . ^{[ 1 ]} وهي تستخدم مكونًا خفيف الوزن نسبيًا لتقليل اهتزاز النظام، مما يقلل من شدة أسوأ حالات الاهتزاز. وبشكل عام، تُضبط الأنظمة العملية إما لإبعاد النمط الرئيسي عن تردد الإثارة المزعج، أو لإضافة تخميد إلى رنين يصعب أو يكلف تخميده مباشرةً. ومن الأمثلة على ذلك مخمد الالتواء في عمود المرفق. غالبًا ما تُستخدم مخمدات الكتلة مع مكون احتكاكي أو هيدروليكي يحول الطاقة الحركية الميكانيكية إلى حرارة، مثل ممتص الصدمات في السيارات .

عند تركيب محرك كتلته m1 على الأرض بواسطة قواعد تثبيت، يهتز المحرك أثناء تشغيله، وتعمل قواعد التثبيت المرنة كنابض ومخمد متوازيين، _k1 و c1 على _{التوالي .} القوة المؤثرة على قواعد التثبيت هي F0 _. ولتقليل أقصى قوة مؤثرة على قواعد التثبيت أثناء تشغيل المحرك ضمن نطاق سرعات مختلف، يتم توصيل كتلة أصغر، m2 ، بالكتلة _m1 بواسطة نابض ومخمد، k2 و _{c2 على التوالي .} F1 هي القوة الفعالة المؤثرة على المحرك نتيجة تشغيله.

يُظهر الرسم البياني تأثير مُخمد الكتلة المُضبوط على نظام بسيط من زنبرك-كتلة-مُخمد، مُثار باهتزازات ذات سعة وحدة قوة واحدة مُطبقة على الكتلة الرئيسية، m1 . يُعدّ مُقياس الأداء المهم هو نسبة القوة المُؤثرة على قواعد المحرك إلى القوة المُسببة لاهتزاز المحرك، F0 _/ F1 . _يفترض هذا أن النظام خطي، لذا إذا تضاعفت القوة المُؤثرة على المحرك ، ستتضاعف القوة المُؤثرة على قواعده أيضًا . يُمثل الخط الأزرق النظام الأساسي، باستجابة قصوى تبلغ 9 وحدات _قوة عند تردد حوالي 9 وحدات. يُظهر الخط الأحمر تأثير إضافة كتلة مُضبوطة تُعادل 10% من الكتلة الأساسية. لها استجابة قصوى تبلغ 5.5، عند تردد 7. وكنتيجة جانبية، يكون لها أيضًا نمط اهتزاز طبيعي ثانٍ، وستهتز بشكل أكبر قليلًا من النظام الأساسي عند ترددات أقل من 6 تقريبًا وأعلى من 10 تقريبًا.

يمكن تعديل ارتفاع القمتين بتغيير صلابة الزنبرك في مخمد الكتلة المضبوط. كما يؤدي تغيير التخميد إلى تغيير ارتفاع القمتين بطريقة معقدة. ويمكن تغيير المسافة بين القمتين بتغيير كتلة المخمد ( _m2 ) .

مخطط بود أكثر تعقيدًا، حيث يوضح طور ومقدار حركة كل كتلة، في الحالتين، بالنسبة إلى F ₁ .

_في الرسومات البيانية على اليمين، يُظهر الخط الأسود استجابة خط الأساس ( m₂ = 0). الآن، عند اعتبار _m₂ = m₁ / 10 ، يُظهر الخط _الأزرق حركة كتلة التخميد، بينما يُظهر الخط الأحمر حركة الكتلة الرئيسية. يُبين مخطط السعة أنه عند الترددات المنخفضة، ترن كتلة التخميد بشكل أكبر بكثير من الكتلة الرئيسية. يُبين مخطط الطور أنه عند الترددات المنخفضة، تكون الكتلتان متوافقتين في الطور. مع ازدياد التردد، _تصبح m₂ خارج الطور مع m₁ _حتى تصل عند حوالي 9.5 هرتز إلى فرق طور 180° ، مما يُعظم تأثير التخميد من خلال زيادة سعة x₂ - x₁ _{، وهذا بدوره} يُعظم الطاقة المُبددة في c₂ ، ويسحب في الوقت نفسه الكتلة الرئيسية في نفس اتجاه حوامل _{المحرك .}       

يُستخدم مخمد الكتلة المضبوط على نطاق واسع كوسيلة لإضافة التخميد إلى الجسور. ومن استخداماته في الجسور منع الاهتزازات الكبيرة الناتجة عن الرنين مع أحمال المشاة. ^{[ 6 ]} بإضافة مخمد الكتلة المضبوط، يُضاف التخميد إلى الهيكل، مما يؤدي إلى تقليل اهتزازاته، حيث أن سعة الاهتزاز في الحالة المستقرة تتناسب عكسيًا مع تخميد الهيكل. ^{[ 7 ]}

كان أحد المقترحات لتقليل الاهتزازات في معزز الوقود الصلب "آريس" التابع لناسا هو استخدام 16 مخمد كتلة مضبوط كجزء من استراتيجية تصميم لتقليل أحمال الذروة من 6 غرامات إلى 0.25 غرام ، حيث تتولى مخمدات الكتلة المضبوطة مسؤولية التخفيض من 1 غرام إلى 0.25 غرام ، بينما يتم إنجاز الباقي بواسطة عوازل الاهتزاز التقليدية بين المراحل العليا والمعزز. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

غالباً ما تحتوي خطوط الضغط العالي على مخمدات ستوكبريدج صغيرة على شكل قضيب معلقة من الأسلاك لتقليل التذبذب عالي التردد ومنخفض السعة والذي يسمى الرفرفة . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

يتكون مخمد الكتلة المضبوط القياسي لتوربينات الرياح من كتلة مساعدة متصلة بالهيكل الرئيسي بواسطة نوابض وعناصر تخميد . ويُحدد التردد الطبيعي لمخمد الكتلة المضبوط أساسًا بثابت النابض ونسبة التخميد التي يحددها عنصر التخميد. وتُمكّن معلمات الضبط في مخمد الكتلة المساعدة من التذبذب بفارق طوري عن حركة الهيكل. وفي التكوين النموذجي، تُعلق الكتلة المساعدة أسفل حاضنة توربين الرياح، مدعومة بمخمدات أو صفائح احتكاك.

عند تركيبها في المباني، تكون المخمدات عادةً عبارة عن كتل خرسانية ضخمة أو أجسام فولاذية مثبتة في ناطحات السحاب أو غيرها من الهياكل، والتي تتحرك في اتجاه معاكس لتذبذبات تردد الرنين للهيكل عن طريق النوابض أو السوائل أو البندولات.

مصادر الاهتزاز والرنين

قد يكون سبب الاهتزاز غير المرغوب فيه هو القوى البيئية التي تؤثر على الهيكل، مثل الرياح أو الزلازل، أو مصدر اهتزاز يبدو غير ضار مما يسبب رنينًا يتراوح من المدمر إلى غير السار إلى غير المريح ببساطة.

الزلازل

تتسبب الموجات الزلزالية الناتجة عن الزلازل في اهتزاز المباني وتذبذبها بطرق مختلفة تبعًا لتردد واتجاه حركة الأرض ، وارتفاع المبنى وتصميمه. قد يؤدي النشاط الزلزالي إلى اهتزازات مفرطة في المبنى، مما قد يتسبب في انهياره . ولتحسين أداء المبنى في مواجهة الزلازل ، يُجرى تصميم مناسب له باستخدام تقنيات متنوعة للتحكم في الاهتزازات الزلزالية . وكما ذُكر سابقًا، استُخدمت أجهزة التخميد في صناعات الطيران والسيارات قبل أن تصبح معيارًا أساسيًا في الحد من الأضرار الزلزالية للمباني. في الواقع، لم تُطوّر أولى أجهزة التخميد المتخصصة للزلازل إلا في أواخر عام 1950. ^{[ 12 ]}

مصادر بشرية ميكانيكية

يمكن أن تتسبب حشود من الناس الذين يصعدون وينزلون السلالم في وقت واحد، أو أعداد كبيرة من الناس الذين يدوسون في انسجام تام، في مشاكل خطيرة في الهياكل الكبيرة مثل الملاعب إذا كانت هذه الهياكل تفتقر إلى تدابير التخميد.

رياح

يمكن أن تتسبب قوة الرياح المؤثرة على المباني الشاهقة في تحريك قممها لأكثر من متر. قد تتخذ هذه الحركة شكل تأرجح أو التواء، وقد تؤدي إلى تحرك الطوابق العليا. كما أن بعض زوايا الرياح والخصائص الديناميكية الهوائية للمبنى قد تزيد من حدة هذه الحركة وتسبب دوار الحركة . عادةً ما يتم ضبط جهاز التخميد المتزامن (TMD) على تردد الرنين الخاص بالمبنى لضمان كفاءة عمله. مع ذلك، قد تتعرض المباني الشاهقة والنحيلة، خلال عمرها الافتراضي، لتغيرات طبيعية في تردد الرنين نتيجة لتغيرات سرعة الرياح ودرجة الحرارة المحيطة والرطوبة النسبية، وغيرها من العوامل، مما يستدعي تصميمًا متينًا لجهاز التخميد المتزامن.

• الرنين المضاد

• الهياكل التي تتضمن مخمدات الكتلة المضبوطة